-
Die Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung und eine Vorrichtung zur Gewinnung und Speicherung von Wärmeenergie. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.
-
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Vorrichtungen und Verfahren zur Gewinnung und Speicherung von Wärmeenergie bekannt. Die Vorrichtungen umfassen jeweils eine mit einem Wärmespeichermedium gefüllte, als so genannter Pufferspeicher ausgebildete Wärmespeichervorrichtung. Das Wärmespeichermedium ist Wasser und wird mit aus Solarstrahlung erzeugter Wärme erwärmt. Der Pufferspeicher umfasst zur Minimierung eines Wärmeaustauschs mit der Umgebung eine Wärmedämmung. Zur Sammlung und Umwandlung der Solarstrahlung in Wärme umfassen die Vorrichtungen einen oder mehrere Solarkollektoren.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Wärmespeichervorrichtung, eine verbesserte Vorrichtung zur Gewinnung und Speicherung von Wärmeenergie und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung anzugeben.
-
Hinsichtlich der Wärmespeichervorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich der Vorrichtung zur Gewinnung und Speicherung von Wärmeenergie durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung umfasst einen, zumindest teilweise mit einem Mineralstoffgemenge gefüllten ersten Speicherbehälter, welcher vollständig von einer Wärmeisolierung umgeben ist. Die Wärmespeichervorrichtung zeichnet sich aufgrund ihrer erfindungsgemäßen Ausbildung in besonders vorteilhafter Weise durch eine hohes Wärmespeichervermögen und besonders geringe Wärmeverluste aus.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Wärmespeichervorrichtung ist innerhalb des ersten Speicherbehälters ein, mit einem Thermoöl gefüllter zweiter Speicherbehälter angeordnet, wobei ein Zwischenraum zwischen dem zweiten und ersten Speicherbehälter mit dem Mineralstoffgemenge gefüllt ist. Aufgrund der Möglichkeit, das Thermoöl auf besonders hohe Temperaturen zu erwärmen und aufgrund des hohen Wärmespeichervermögens können hohe Wärmemengen von der Wärmespeichervorrichtung aufgenommen und gespeichert werden.
-
Um eine besonders hohe Wärmebeständigkeit des ersten Speicherbehälters zu realisieren und daraus folgend besonders hohe Temperaturen des Mineralstoffgemenges zu ermöglichen, ist der erste Speicherbehälter in einer Ausgestaltung aus Keramik gebildet.
-
Zur Steuerung einer Wärmeübertragung zwischen einem Innenraum des ersten Speicherbehälters und einem zwischen dem ersten Speicherbehälter und der Wärmeisolierung ausgebildeten Zwischenraum umfasst der erste Speicherbehälter zumindest eine bewegbare Klappe.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Wärmespeichervorrichtung ist beabstandet zum ersten Speicherbehälter zumindest in einem Bereich der zumindest einen Klappe eine Trennanordnung angeordnet, wobei zwischen der Trennanordnung und dem Speicherbehälter ein Freiraum zum Einschwenken der Klappe ausgebildet ist. Somit ist ein einfaches, vom ersten Speicherbehälter weggerichtetes Schwenken der Klappe möglich.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zur Speicherung von Wärme ein Zwischenraum zwischen der Trennanordnung und der Wärmeisolierung mit dem Mineralstoffgemenge ausgefüllt. Somit können innerhalb der Wärmespeichervorrichtung zwei Speicherbereiche mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen realisiert werden. Insbesondere erstreckt sich dabei im Inneren des ersten Speicherbehälters ein Heißbereich mit hoher Temperatur, beispielsweise zwischen 200°C und 600°C, und im Zwischenraum zwischen der Trennanordnung und der Wärmeisolierung ein gedämmter Warmbereich mit geringerer Temperatur, beispielsweise von weniger als 80°C. Die in dem Warmbereich gespeicherte Energie ist beispielsweise zum Betrieb einer Heizungsanlage eines Gebäudes verwendbar.
-
Um eine besonders hohe Speicherfähigkeit und Temperaturbeständigkeit des Mineralstoffgemenges zu erzielen, ist dieses ein Kies-Granit-Gemisch, ein Sand-Granit-Gemisch oder ein Kies-Sand-Granit-Gemisch.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung und Speicherung von Wärmeenergie umfasst eine erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung und eine Wärmegewinnungsvorrichtung zur Gewinnung der Wärmeenergie. Die Vorrichtung zeichnet sich aufgrund der Wärmespeichervorrichtung in besonders vorteilhafter Weise durch ein hohes Wärmespeichervermögen und besonders geringe Wärmeverluste aus.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Wärmegewinnungsvorrichtung eine Energieerzeugungsanlage zur Erzeugung elektrischer Energie und eine innerhalb des ersten Speicherbehälters oder bei Vorhandensein des zweiten Speicherbehälters in diesem angeordnete, elektrisch betriebene Heizung. Somit ist es mittels der Vorrichtung möglich, elektrische Energie zu erzeugen, am Ort der Erzeugung in Wärme umzuwandeln und diese aufgrund des hohen Wärmespeichervermögens und der besonders geringen Wärmeverluste effektiv zu speichern. Die elektrisch betriebene Heizung zeichnet sich dabei durch einen hohen Wirkungsgrad aus und ermöglicht eine Erwärmung des Thermoöls auf sehr hohe Temperaturen. Dabei eignet sich die Vorrichtung besonders zur Anwendung zur Beheizung von Gebäuden.
-
Zu einer solchen Beheizung von Gebäuden ist insbesondere vorgesehen, dass innerhalb des Zwischenraums zwischen der Trennanordnung und der Wärmeisolierung ein mit einer Heizungsanlage gekoppelter Wärmetauscher angeordnet ist.
-
Für eine umweltschonende und klimafreundliche Erzeugung der elektrischen Energie umfasst die Energieerzeugungsanlage zumindest ein Photovoltaikmodul. Aufgrund der Umwandlung der erzeugten elektrischen Energie in Wärmeenergie ist am Ort der Erzeugung eine effektive Speicherung und Nutzung der erzeugten Energie möglich. Aus dem hohen Wärmespeichervermögen und der besonders geringen Wärmeverluste der Wärmespeichervorrichtung ergibt sich weiterhin, dass die Energie dann genutzt werden kann, wenn sie auch benötigt wird. Eine Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein öffentliches Versorgungsnetz ist dabei nicht zwingend notwendig. Aufgrund der Ausbildung der Energieerzeugungsanlage als Solaranlage und aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften der Wärmespeichervorrichtung können bei der Beheizung eines Gebäudes Kosteneinsparungen von mehr als 80% gegenüber einer konventionellen Beheizung realisiert werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das in dem ersten Speicherbehälter befindliche Mineralstoffgemenge direkt und/oder das in dem zweiten Speicherbehälter vorhandene Thermoöl derart erwärmt werden bzw. wird, dass das innerhalb des ersten Speicherbehälters angeordnete Mineralstoffgemenge auf eine erste Temperatur von 200°C bis 600°C erwärmt wird. Der Vorteil der Erwärmung auf derart hohe Temperaturen liegt bei einer Nutzung der Vorrichtung und des Verfahrens zur Beheizung eines Gebäudes insbesondere darin, dass stets eine ausreichend hohe Wärmemenge zur "Nachheizung" des zwischen der Trennanordnung und der Wärmeisolierung angeordneten Mineralstoffgemenges möglich ist.
-
Um eine Anwendung der Vorrichtung bei der Beheizung eines Gebäudes zu ermöglichen, sieht eine Weiterbildung des Verfahrens vor, dass mittels einer Steuerung einer Bewegung der Klappe und/oder einer Einstellung einer, durch die Bewegung der Klappe freigegebenen Öffnung des ersten Speicherbehälters eine zweite Temperatur des zwischen der Trennanordnung und der Wärmeisolierung angeordneten Mineralstoffgemenges von weniger als 80°C eingestellt wird.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
-
Dabei zeigt:
-
1 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung und Speicherung von Wärmeenergie.
-
In der einzigen 1 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Gewinnung und Speicherung von Wärmeenergie dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist insbesondere zur wärmetechnischen Versorgung eines Gebäudes, beispielsweise eines Ein- oder Mehrfamilienhauses, vorgesehen.
-
Hierzu umfasst die Vorrichtung 1 eine Wärmespeichervorrichtung 2 zur Speicherung der Wärmeenergie und eine Wärmegewinnungsvorrichtung 3 zur Gewinnung der Wärmeenergie. Die Wärmespeichervorrichtung 2 ist dabei vorzugsweise zu einer Aufstellung in einem Raum des Gebäudes oder einer Anordnung im Erdreich ausgebildet.
-
Die Wärmegewinnungsvorrichtung 3 weist eine als Solaranlage ausgebildete, mehrere Photovoltaikmodule umfassende Energieerzeugungsanlage 3.1 zur Erzeugung elektrischer Energie auf. Die Solaranlage ist dabei als Dachanlage auf dem Gebäude installiert oder als Freiflächenanlage ausgebildet. Die als Gleichstrom gewonnene elektrische Energie wird mittels eines Wechselrichters 3.2 in Wechselstrom umgewandelt und einer innerhalb eines zweiten Speicherbehälters 2.1 der Wärmespeichervorrichtung 2 angeordneten, elektrisch betriebenen Heizung 3.3 zugeführt. Nicht für die Heizung 3.3 erforderliche elektrische Energie wird vorzugsweise in ein öffentliches Versorgungsnetz eingespeist. In einer alternativen Ausführung erfolgt die Zufuhr der mittels der Energieerzeugungsanlage 3.1 erzeugten elektrischen Energie direkt zu der Heizung 3.3 ohne vorherige Zuführung zum Wechselrichter 3.2. Somit kann ein Wirkungsgrad erhöht werden.
-
Mittels der Heizung 3.3, bei welcher es sich insbesondere um eine so genannte Heizpatrone handelt, wird ein innerhalb des zweiten Speicherbehälters 2.1 befindliches Thermoöl O auf eine erste Temperatur T1 im Bereich von 200°C bis 600°C erwärmt. Zur Realisierung einer hohen Wärmebeständigkeit des zweiten Speicherbehälters 2.1 ist dieser aus Stahl gebildet. Der zweite Speicherbehälter 2.1 weist dabei ein Fassungsvermögen von insbesondere 50 l bis 150 l für das Thermoöl O auf. Das Volumen des zweiten Speicherbehälters 2.1 und die erste Temperatur T1 werden dabei in Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit der Energieerzeugungsanlage 3.1 und eines erforderlichen Wärmebedarfs für das Gebäude eingestellt und dimensioniert.
-
Der zweite Speicherbehälter 2.1 ist vollständig innerhalb eines ersten Speicherbehälters 2.2 angeordnet, wobei ein Zwischenraum Z1 zwischen dem zweiten und ersten Speicherbehälter 2.1, 2.2 mit einem Mineralstoffgemenge MG ausgefüllt ist. Bei dem Mineralstoffgemenge MG handelt es sich um ein Kies-Sand-Granit-Gemisch mit einer bevorzugten Körngröße von 2 mm bis 5 mm. Alternativ ist auch die Ausbildung als Kies-Granit-Gemisch oder Sand-Granit-Gemisch mit einer bevorzugten Körngröße von 2 mm bis 5 mm möglich. Bei dem Mineralstoffgemenge MG handelt es sich vorzugsweise um ein Schüttgut. Alternativ ist jedoch auch eine Ausbildung als Festkörper möglich. Zur Realisierung einer hohen Wärmebeständigkeit des ersten Speicherbehälters 2.2 ist dieser aus Keramik, insbesondere Keramikplatten mit einer Dicke von 50 mm, gebildet. Die Dicke und ein Volumen des ersten Speicherbehälters 2.2 werden in Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit der Energieerzeugungsanlage 3.1 und des erforderlichen Wärmebedarfs für das Gebäude dimensioniert.
-
Somit wird die innerhalb des zweiten Speicherbehälters 2.1 gespeicherte Wärme an das Mineralstoffgemenge MG übertragen und innerhalb des Mineralstoffgemenges MG mit der ersten Temperatur T1 gespeichert.
-
Um eine Wärmeübertragung an die Umgebung der Wärmespeichervorrichtung 2 zu minimieren, ist der erste Speicherbehälter 2.2 vollständig von einer Wärmeisolierung 2.3 umgeben. Die Wärmeisolierung 2.3 ist vorzugsweise aus einem Polyurethan-Schaum mit einer Dicke von 400 mm gebildet. Somit ist es insbesondere möglich, dass innerhalb eines Zeitraums von 120 Tagen lediglich Energieverluste von maximal 50% auftreten.
-
Zwischen der Wärmeisolierung 2.3 und dem ersten Speicherbehälter 2.2 ist in einem zweiten Zwischenraum Z2 ebenfalls das Mineralstoffgemenge MG, welches durch Wärmeübertragung vom ersten Speicherbehälter 2.2 auf eine zweite Temperatur T2 von weniger als 80°C erwärmt wird, eingebracht. Ein Volumenverhältnis zwischen dem Mineralstoffgemenge MG im ersten Zwischenraum Z1 und dem Mineralstoffgemenge MG im zweiten Zwischenraum Z2 beträgt dabei beispielsweise 2 zu 1.
-
Zur Steuerung dieser Wärmeübertragung zwischen einem Innenraum des ersten Speicherbehälters 2.2 und dem zweiten Zwischenraum Z2 umfasst der erste Speicherbehälter 2.2 mehrere bewegbare Klappen 2.2.1 bis 2.2.6, mittels welchen durch eine Bewegung Öffnungen des ersten Speicherbehälters 2.2 variabel freigegeben werden. Eine Anzahl und Größe der Öffnungen und Klappen 2.2.1 bis 2.2.6 wird in Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit der Energieerzeugungsanlage 3.1 und des erforderlichen Wärmebedarfs für das Gebäude dimensioniert.
-
Um eine Öffnung der Klappen 2.2.1 bis 2.2.6 in Richtung der Wärmeisolierung 2.3 zu ermöglichen, ist beabstandet zum ersten Speicherbehälter 2.2 und diesen zumindest an den Seiten der Klappen 2.2.1 bis 2.2.6 umgebend eine Trennanordnung 2.4 angeordnet, so dass zwischen der Trennanordnung 2.4 und dem ersten Speicherbehälter 2.2 ein Freiraum zum Einschwenken der Klappen 2.2.1 bis 2.2.6 ausgebildet ist. Die Trennanordnung 2.4 ist dabei vorzugsweise aus Metallblechen gebildet.
-
Zur Beheizung des Gebäudes ist innerhalb des zweiten Zwischenraumes Z2, umgeben von dem Mineralstoffgemenge MG, ein mit einer Heizungsanlage des Gebäudes gekoppelter erster Wärmetauscher 4 angeordnet. Der Wärmetauscher 4 ist dabei vorzugsweise als so genannte Heizschleife mit einer Länge von 200 m und einem Durchmesser von 30 mm ausgebildet. Auch die Maße der Heizschleife werden in Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit der Energieerzeugungsanlage 3.1 und des erforderlichen Wärmebedarfs für das Gebäude dimensioniert.
-
Um auch bei geringen solaren Erträgen eine Beheizung des in dem zweiten Zwischenraum Z2 angeordneten Mineralstoffgemenges MG zu ermöglichen, ist zusätzlich ein zweiter Wärmetauscher 5 vorgesehen, welcher beispielsweise mit einer Wärmepumpe gekoppelt ist. Auch der zweite Wärmetauscher 5 ist vorzugsweise als Heizschleife ausgebildet.
-
In einer alternativen, nicht näher dargestellten Ausführungsform ist kein mit Thermoöl O gefüllter zweiter Speicherbehälter 2.1 vorgesehen. In dieser Ausführung umfasst die Wärmespeichervorrichtung 2 lediglich den ersten Speicherbehälter 2.2, welcher zumindest teilweise mit dem Mineralstoffgemenge MG gefüllt ist. Im Unterschied zum dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt hierbei die Erwärmung des Mineralstoffgemenges MG auf die erste Temperatur T1 direkt mittels einer im ersten Speicherbehälter 2.2 angeordneten elektrischen Heizung 3.3.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Wärmespeichervorrichtung
- 2.1
- zweiter Speicherbehälter
- 2.2
- erster Speicherbehälter
- 2.2.1 bis 2.2.6
- Klappe
- 2.3
- Wärmeisolierung
- 2.4
- Trennanordnung
- 3
- Wärmegewinnungsvorrichtung
- 3.1
- Energieerzeugungsanlage
- 3.2
- Wechselrichter
- 3.3
- Heizung
- 4
- erster Wärmetauscher
- 5
- zweiter Wärmetauscher
- MG
- Mineralstoffgemenge
- O
- Thermoöl
- T1
- erste Temperatur
- T2
- zweite Temperatur
- Z1
- Zwischenraum
- Z2
- Zwischenraum
